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土遗址全长黏结锚固系统优化与机理研究

王东华  
【摘要】:土遗址是人类历史文化的重要载体,在我国土遗址数量巨大、类型全面。然而处于露天环境下的土遗址长期遭受风蚀、雨蚀、冻融、地震等多种自然营力和人类活动影响,直接由裂隙或裂缝切割而成的不稳定块体在土遗址中普遍发育,成为影响土遗址长期保存的首要危害。因此,对土遗址中不稳定块体的理想加固方法的研究愈发受到重视。锚固技术因其具有扰动性弱、兼容性强和变形控制优异等特点,在土遗址稳定性控制领域得到了广泛应用。基于对常规岩土锚固工程和土遗址锚固现状的研究,认识到目前土遗址锚固工艺和性能测试技术存在诸多不足、有关于杆材、浆液以及遗址土体性状的多种锚固参数与其组合对土遗址全长黏结锚固系统性能影响机制、锚固系统的传力机制尚不明晰,这些已成为制约土遗址锚固技术和理论发展的关键问题。因此本文开展了土遗址全长黏结锚固系统优化和机理研究。本文在对目前通用的土遗址锚固工艺和锚固性能测试技术进行优化的基础上,研发了相关配套设备并开展了杆体类型、几何锚固参数和浆土强度比对土遗址全长黏结拉力型锚固系统性能影响的试验研究。通过原位锚固、拉拔测试以及界面应变监测,获得了各锚固系统的破坏模式、极限荷载、荷载-位移特征、界面应变的分布和变化规律,对比分析了各锚固系统性能的优劣,阐释全长黏结拉力型锚固系统的机理。而后对常出现的杆体-浆体界面的破坏模式,应用双线黏结-滑移模型进行了全过程行为的理论分析。最终,在此基础上提出了受力机制更优异的全长黏结拉压复合锚杆,并探究了其锚固性能与工作机制,主要研究成果如下:(1)对土遗址全长黏结锚固系统的锚固工艺和性能测试技术进行了优化并研发了相应装备,包括可控式高效钻孔装置、钻机专用防尘装置、整套清孔装置、渗透加固锚孔壁装置、锚固注浆系统及其注浆方法、浆-土界面应变测试方法、浆-土界面应变计布设装置和拉拔测试恒力加载系统以及各设备的使用方法,这些研发成果大部分已经成功应用于本文研究。(2)对比研究木锚杆、玻璃纤维锚杆和钢筋锚杆与相同浆液组成全长黏结拉力型锚固系统性能的优劣;同时基于每种锚固系统设置了几何锚固参数对锚固系统性能影响试验,定量分析了锚杆直径、浆液厚度和黏结长度参数对杆体与浆体间的黏结强度的规律,以及定性分析了杆体与浆体间黏结应力随黏结长度的分布规律;最后从杆体类型所决定的杆体-浆体的受力机制、变形和强度特征等方面剖析了全长黏结拉力锚固系统的锚固机制,阐释了轴向锚固参数和径向锚固参数对杆体-浆体间黏结性能的影响机制,并给出了各类杆体锚固参数的优选值。(3)在杆体与锚固参数优选的基础上,进行了不同成分的新型锚固浆液配合比的初选和终选测试,最终确定了以抗压强度为基准的5种浆土强度比。开展了5种浆土强度比分别与木锚杆和玻璃纤维锚杆组成的全长黏结拉力锚固系统的性能测试,得到了各锚固系统的破坏模式、极限荷载、以及荷载-位移曲线特征和双界面应变随荷载和轴向位置的分布曲线,给出了土遗址锚固系统浆土强度比的最优阈值,并探讨了浆土强度比对锚固性能的影响机制。(4)基于现场试验结果验证了双线黏结-滑移模型在土遗址全长黏结拉力锚固系统杆体-浆体界面黏结-滑移行为的适用性,并将该界面黏结-滑移全过程分成了弹性阶段、弹性-软化阶段、弹性-软化-松动阶段和软化-松动阶段等四个阶段,并推导了每个阶段所对应界面滑动量、界面剪应力分布和杆体轴向应变分布的表达式,以及获得了各阶段对应的荷载-位移关系、有效锚固长度等一系列参数的解析解;依据拉拔试验结果对模型进行了参数标定,将试验值与理论值进行了对比,验证了理论解的适用性,并分析了锚固参数对锚固系统性能的影响。(5)在上述试验研究和理论研究的基础上,提出了受力机制更为合理的新型全长黏结木质拉压复合锚固系统,并进行其与传统拉力锚固系统的对比试验,测试了各锚固材料物理力学兼容性以及拉压复合锚杆结构的可靠性,并对比分析了拉压复合锚固系统与拉力型锚固系统的锚固性能和破坏机制,并据其简化受力模型,给出了极限荷载的两种计算方法。


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